0 引言

    随着国内汽车市场的快速稳定增长和电声学的不断发展，消费者对车内音频系统的音质要求越来越高，不断追求更优质的收听效果。目前，高水平的音效已成为评价轿车舒适性的重要依据之一。

    车内噪声来源主要有发动机噪声、空调噪声、轮胎噪声、空气噪声、外境传入噪音和车身结构噪声等。目前，虽然已有静音、减震、吸音、反音和密封等隔音措施，但仍然无法彻底隔离所有车内噪声，车速变化和空调风速变化时，噪声增益变化较大。而且，车辆使用过程中，传统的音频系统没有对车内噪声进行有效的自动增益补偿，严重影响了车内人员的收听效果，尤其在播放音量较小，而车速较快和空调风速较大的极端情况下。

    本文针对该缺陷设计自动增益补偿，首先提取影响车内收听的关键因数（行驶速度、空调风速、播放音量等），按照对收听效果的影响程度，动态调整音量增益和响度补偿曲线，减少车内噪声对高音质享受的影响，满足车内收听频响特性。

1 车内声音测试分析^[1]

    为了得到行驶速度、空调风速、播放音量等关键因素对车内收听效果的影响，现对某款轿车车内的声音进行测试取样。

1.1 行驶速度对车内声音的影响

    选取实际常见路况，分别在怠速泊车、市内路段、一般路段、高速路段等行驶车速情形下，保持匀速行驶，测得车内主驾、副驾、后排位置噪声随车速变化情况，如表1所示。随着车速的不断增加，车内噪声明显加大，对车内收听效果和乘座舒适性的影响也更严重。

1.2 风扇转速对车内声音的影响

    空调风速一般有高中低三档，保持其中一档，发动机怠速泊车下测得车内噪声随空调风速的变化情况，如表2所示。随着空调风速的不断提高，车内噪声也明显加大，严重了影响车内收听效果和乘座舒适性。

1.3 播放音量对车内声音的影响

    车内多媒体音频系统具有音量调节功能，常见的有63步进音量细调曲线，其中最大音量作为0 dB参考点(1 kHz，0 dBFS输入，4 Ω负载，20 W输出)。如图1所示。随着音量的不断增加，对车内噪声的掩盖程度不断加强，人耳对声音的响度要求下降，车内噪声的影响程度也明显下降，有助于改善车内收听效果和乘座舒适性。

1.4 车内主要噪声频率特性

    为确定车内噪声的频率特性，分别对30~60 km/h车速和空调中档风速（发动机怠速）时，选取主驾位置所录取的噪声进行频谱分析，如图2和图3所示。通过频谱发现，车速和空调风速产生的噪声特性呈窄频带、多频点、低频率分布，尖峰点分别在60 Hz、250 Hz、500 Hz和600 Hz。由于低频噪声对人体的危害更大，必须对以低频噪声为主的车内噪声进行有效的处理^[2]。

2 系统模型设计

    车载音频系统的自动增益补偿框图主要由车身信息所属区域分类和响度补偿两大部分组成，在音频DSP中并行处理，控制音效补偿程度的选择，如图4所示。车身信息所属区域分类模块中，通过车身CAN总线实时监测车身信息，获取音量、车速、空调风速等影响车内收听效果的关键因子，分类归入到模型所设置的某一区域范围，基于所归入的区域范围自动选择增益补偿程度。响度补偿模块中，根据车内多媒体播放音量大小，满足人耳对车内收听的频率响应特性，自动选择高低音增益补偿程度。最终，通过这两模块所决定的增益补偿程度，与原多媒体音频信号一起进行声音重构，输出音效增强后的新声音。

2.1 车身信息所属区域分类

    通过车身CAN总线可以方便地获取娱乐系统（播放音量步进数）、仪表盘（行驶速度）、空调（空调风速档位）等车内电子控制单元的相关信息。首先，不断读取车身信息值，如果无法确认有效，则放弃调整DSP参数，保持原状态不变；然后对有效信息所属的区域范围进行分类，并标记记录当前所属状态；再根据确定的区域范围计算增益补偿程度，如果补偿后的总增益超过系统最大增益，则限定为系统最大增益，随后转换为音频DSP参数并写入相应的寄存器中；最终输出重建后的多媒体声音，实现增益补偿增强后的听觉效果。详细流程图如图5所示。

    区域范围分类基于实际测得的不同状态下的车内声音频谱曲线，可以发现各个影响因子（播放音量、行驶速度、空调风速）之间近乎相互独立，并且增益在各区域范围内准线性变化，故定义增益补偿表达式如下：

其中，G_c(Gain Compensation)为补偿增益(dB)，VCF(Volume Compensation Factor)为音量补偿因子，SCF(Speed Compensation Factor)为速度补偿因子，FCF(Fan Compensation Factor)为空调风速补偿因子，RCF(Reserved Compensation Factor)为预留影响因子或偏差因子。

    VCF、SCF、FCF的边界点和分段线性变化曲线如表3所示。VCF按照实际音量曲线的增益增长和人耳对音量增益的感受划分，变化曲线为梯形；SCF按照常见路况行驶速度划分，变化曲线为台阶式逐级上升；FCF按照固定的空调风速档位划分，为离散4个点递增；RCF用于不同车之间微小差异的偏差校准或其他影响因子。

2.2 响度补偿

    为了更全面地满足车内听觉频响特性，需要设置等响曲线，等响曲线是反映人耳对不同声压的主观感受曲线，在不同的多媒体播放音量下，通过自动响度补偿来满足车内的高音质听觉享受。在车内建立类似于1 kHz纯音等响度曲线，通过分别调节音频DSP内的高低音滤波器的中心频率、增益、Q值成分，从而补偿扬声器和车内声场环境的缺陷或不足，实现补偿、修饰、调整各种声源及其他一些特殊效果^[3]。

    车内多媒体音频输入到音频DSP，首先，通过FFT（Fast Fourier Transform）转为频域信号，提取音频信号的频谱特性并计算高/低音响度等级；然后根据当前播放音量配置相应的响度增益补偿程度，内插到相应的频段；随后，通过IFFT（Inverse Fast Fourier Transform)转换回时域信号进行时域滤波；最后，把自动响度补偿后的多媒体音频信号输出到扬声器^[4]。详细工作原理如图6所示。

    本文使用恩智浦半导体的车载级专用音频DSP芯片TEF6638HW^[5]，通过使用其中的IIR双线性滤波器设置等响度曲线的高低音滤波器，传递函数定义如下：

    通过中间变量(G_max为最大增益，g为增益，f_s为采样频率，f_c为中心频率，Q为品质因子)，可求得滤波器传递函数系数。

    由于人耳对高低频声，特别是低频声的听觉灵敏度差，为了在车内获得高质量的听觉享受，有必要在低音量时对高频和低频进行听觉补偿，即要求对低频有较大提升，对高频也有一定量的提升。在车内标定随播放音量变化的等响曲线增益设计如表4所示，音量逐渐变小时，低频音量加强明显，高频音量也有稍许抬升。音频DSP等响度曲线参数即，低音峰值滤波器：f_s=48 kHz，f_c=60 Hz，Q=0.4；高音峰值滤波器：f_s=48 kHz，f_c=10 kHz，Q=0.9。

3 实车效果测试

    选取主驾头部位置作为优选位置，分别在不同车速、不同音量步进数、不同空调风速档位下，选择常见行驶路况，测取20 Hz~20 kHz全频段实际音量补偿曲线如图7所示, 理论增益补偿值与实际值的比较如表5所示。

    以音量最大作为0 dB基准曲线，测试20 Hz~20 kHz全频段随音量增益10 dB递减的等响度曲线，如图8所示。

4 结论

    通过实车测试所得的音量补偿曲线和等响度补偿曲线表明，所设计的自动增益补偿，尤其是音量和响度的动态补偿，与理论模型设计的数据值保持一致。在不断变化的车内声音环境中，可以成功地实现车载音频系统的自动增益补偿，有效地减少车内噪声对收听的影响，并满足不同音量下的车内听觉频响特性，最终确保在不同车内环境中高音质的听觉享受。

参考文献

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[2] 贾继德，陈剑，王军，等.车内噪声分析与控制研究[J].农业机械学报，2009，40(2)：204-208.

[3] 虞晓琼，陈冰冰，季统凯，等.车载多媒体系统数字音效DSP软件设计[J].微型机与应用，2011，30(12)：47-50.

[4] KIM H G，CHO J M.Car audio equalizer system using music classification and loudness compensation[C].2011 International Conference on ICTC，2011：553-558.

[5] NXP.TEF6635，TEF6638 user manual audio device version：V1C-05，Rev.1.4[Z].2012.